UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

FÍSICAUNIDAD 4. LA LUZACTIVIDAD 3. PRÁCTICA 2. DIFRACCIÓN E INTERFERENCIA

PROFESOR: JAVIER LARA DE PAZ

ALUMNO: JUAN ENRIQUE GARCÍA RAMÍREZMATRÍCULA: AL1250058426 DE OCTUBRE DE 2012

Esta práctica es colaborativa por lo que para llevarla a cabo es importante que te organices con el equipo que te asignará tu Facilitador(a). Realicen lo siguiente: 1. Descarguen la simulación ejs_DifraccioneInterferenciaF.jar 2. Corran la simulación y realicen lo siguiente: a) Expliquen porqué se da el cambio en los patrones cuando cambias una fuente de luz a diferente color. b) Acomoden los colores rojo, verde y azul de acuerdo a las longitudes de onda, desde la más grande a la más pequeña. c) Expliquen lo que sucede cuando la anchura de la rendija aumenta al usar un patrón de una sola rendija. d) Expliquen lo que ocurre cuando la longitud de onda de las ondas incidentes sobre la rendija aumenta. e) Expliquen lo que ocurre cuando la distancia entre las fuentes o las rendijas aumenta usando los patrones de doble fuente y doble rendija. f) Expliquen lo que sucede cuando la longitud de onda aumenta. g) Expliquen lo que sucede al patrón observado en la pantalla cuando la distancia a la pantalla aumenta usando cualquiera de los patrones. h) Expliquen si existe algún orden perdido usando el patrón de la doble rendija. i) Si la relación de (separación de la rendija al ancho de la rendija) es 4, explica si observas órdenes perdidos para todas las líneas brillantes que correspondan a m= 4, 8, 12, etc.j) Expliquen cómo sería posible evitar la interferencia en la comunicación entre un satélite artificial y algún lugar en la Tierra.

La difracción o la refracción de la luz son fenómenos muy visibles en la vida diaria, por ejemplo, al observar las pompas de jabón, que reflejan decenas de colores brillantes. Otra experiencia es la de ver en la calle, después de que ha llovido, el agua que cayó sobre aceite. Se pueden identificar en el charco de agua diversos colores.

a) Expliquen porqué se da el cambio en los patrones cuando cambias una fuente de luz a diferente color.

En este caso en particular, un rayo luminoso experimenta un cambio de dirección y sentido al chocar contra la superficie de separación de dos medios, como la rendija o las rendijas utilizadas en la simulación.

Una reflexión regular ocurre cuando la superficie reflectora es lisa. Una reflexión irregular ocurre porque la superficie reflectora es rugosa.Ahora si el rayo luminoso atraviesa oblicuamente la superficie entre las rendijas va a experimentar un cambio de dirección.

Estos fenómenos son ejemplos de la  interferencia de luz, que ocurre cuando dos haces de luz llegan al mismo espacio delimitado. El efecto producido por estas dos ondas en

cada punto es la combinación de ambas. En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser debe finalmente dispersarse en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

Ahora como la luz visible es una línea más o menos larga de longitudes de onda, si se cambia el color de la luz, se desvía el haz de luz visible aunque el emisor láser esté siempre inmóvil, colocado en la misma posición; es por ello, que la luz del láser luego de atravesar las rendijas sufrirá una desviación en su trayectoria y estará afectada más o menos por el fenómeno de interferencia.

La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.

Las ondas se mueven por el espacio exactamente de esa forma, son ondas, por lo que tienen valles y crestas.

Cuando se cruzan dos crestas sus efectos se suman, aumentando la amplitud de las ondas por lo que se produce interferencia constructiva.

Si lo que se unen son los valles también aumenta su amplitud, ya que se genera interferencia constructiva.

En el caso opuesto, al encontrarse un valle de una onda A con la cresta de una onda B, se anula completamente la onda, causando interferencia destructiva, puesto que se encuentran en oposición de fase.

a) Expliquen porqué se da el cambio en los patrones cuando cambias una fuente de luz a diferente color.

La difracción  es el fenómeno de propagación no rectilínea de la luz por el cual las ondas luminosas bordean los obstáculos y queda perfectamente explicado con la teoría ondulatoria de Huygens, donde cada punto de un frente de ondas se puede considerar emisor de ondas esféricas.

Cuando una onda encuentra un obstáculo, una parte es absorbida por el obstáculo y no emiten más, pero las ondas emitidas desde los puntos que quedan libres siguen avanzando de manera esférica, alcanzando las regiones que el obstáculo no permite ver a simple vista.

La onda difractada será entonces una  perturbación de menor intensidad que la onda original. Para observar este fenómeno se requieren fuentes luminosas focalizadas y luz monocromática.

                 

Cuando el ancho de la ranura es grande comparado con la longitud de onda, los frentes de onda del otro lado  del obstáculo siguen siendo aproximadamente planos. El espectro de la luz visible presenta un rango de longitudes de onda de 400 a 700 nm.

Cuando un patrón luminoso atraviesa una dola rendija o través del borde de un obstáculo se flexionan de cierta manera hacia la región que no está directamente expuesta a la fuente de luz. El grado de difracción de una onda al atravesar un obstáculo depende del tamaño del mismo comparado con la longitud de onda. Si el rayo láser de color se rojo se expone variablemente a la rendija con una apertura gradual y creciente, se verá fácilmente porque el haz de luz láser tiende a ser bloqueado por el ancho de la rendija. Si la rendija es mayor que el haz de luz láser rojo se bloqueará la mayor parte del láser puesto que la apertura es igual o idéntica a la anchura de la longitud de onda de la luz roja. En cambio, si la rendija se cierra, haciéndola más pequeña que la anchura del haz de luz se verá cómo la mayor parte del haz pasa sin interferencia a través de la rendija, puesto que la misma rendija se comporta incluso como una fuente secundaria de luz. El mismo efecto se vería en el caso de haber una tercera rendija, funcionaría como una tercera fuente luminosa, dejando pasar solo la parte del haz de luz que mantiene la misma longitud de onda igual o idéntica al ancho de abertura de la rendija.

Si la longitud de onda es mucho menor que las dimensiones del obstáculo, en este caso, la pared que contiene la rendija, no se observará difracción.Si la longitud de onda es grande respecto de la rendija, la difracción es muy notable.

La difracción no se produce solamente cuando la luz atraviesa una pequeña abertura,  puede producirse el mismo efecto colocando delante del haz de luz un  objeto filoso de manera tal que al incidir la luz sobre su filo, difracte.

Cuando se presenta la situación de tener doble rendija y doble fuente se verá un fenómeno que se puede observar igualmente en un cuerpo de agua, cuando se generan un par de ondas provenientes de un par de fuentes, intentando atravesar un obstáculo, solo aquellas regiones de las ondas que desarrollen igual tamaño de anchura que las rendijas podrán ser las que atraviesen el obstáculo; mientras el resto de las ondas es rechazado y rebotado una y otra vez a lo largo y ancho del cuerpo, generando ondas circulares.

Huygens había ya previsto este fenómeno cuando propuso que: “cada punto de un frente de onda puede considerarse como una nueva fuente de ondas secundarias”. En el caso de la luz la difracción solo se observa cuando las dimensiones de la abertura de la rendija o de cualquier otro obstáculo son comparables a la longitud de las ondas que inciden sobre ellos. Lo mismo sucede en la superficie del agua y en las ondas sonoras. La interferencia constructiva ocurre en el momento en que la diferencia de la longitud de las ondas sea igual a 0, λ, 2λ, 3λ, 4λ… nλ, donde λ es la longitud de onda de la luz; las condiciones para las franjas claras de luz están dadas por

d sen θ = nλ, n= 0, 1, 2, 3, 4…

donde d es la separación de ranuras y θ es el ángulo que forma la franja con el eje.Las condiciones necesarias para la formación de franjas oscuras se da cuando la diferencia en las trayectorias es

Entonces la interferencia destructiva cancelará las ondas, ya que las franjas oscuras se presentan cuando

para n = 1, 3, 5 …

Las ecuaciones entonces estarán dadas por

sen θ ≈ tan θ =

De este modo, con la anterior ecuación se puede medir cualquier longitud de onda y saber que fenómeno está afectando la generación y propagación de las ondas, en todo caso, la interferencia constructiva y la destructiva.

En el espectro electromagnético los rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de los cristales y otros materiales con estructura periódica. Esta técnica se utilizó para intentar descubrir la estructura del ADN, y fue una de las pruebas experimentales de su estructura de doble hélice propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg.Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones. En los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a favor de la descripción ondulatoria que realiza la mecánica cuántica de las partículas subatómicas.

Bibliografía

Difracción de la luz. Wikipedia (26 de octubre de 2012). Recuperado de http://es.wikipedia.org/wiki/Difracci%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

Experimento de Young. Wikipedia (26 de octubre de 2012). Recuperado de http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Young

Tippens, Paul E. Física. Conceptos y aplicaciones. McGraw-Hill. México, 5ª edición, 1998.